ITPD20060348A1 - MOBILE SYSTEM FOR THE ACQUISITION OF NEURONAL ACTION POTENTIALS AND THEIR REAL-TIME TELEMETRIC TRANSMISSION WITHOUT WIRES. - Google Patents
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Description
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Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Description of the industrial invention entitled:
“SISTEMA MOBILE PER LA ACQUISIZIONE DI POTENZIALI DI “MOBILE SYSTEM FOR THE ACQUISITION OF POTENTIALS OF
AZIONE NEURONALI E LA LORO TRASMISSIONE TELEMETRICA IN TEMPO REALE PER VIA DIGITALE SENZA FILI" NEURONAL ACTION AND THEIR REAL-TIME TELEMETRIC TRANSMISSION VIA DIGITAL WIRELESS "
a nome di: SISSA - Scuola Internazionale Superiore Studi on behalf of: SISSA - International School of Advanced Studies
Avanzati Advanced
con sede a: Trieste based in: Trieste
inventori designati: DIAMOND, Mathew E.; PERKON Igor; ZORZIN, Erik designated inventors: DIAMOND, Mathew E .; PERKON Igor; ZORZIN, Erik
CAMPO DELL'INVENZIONE FIELD OF THE INVENTION
L’invenzione è relativa ad un sistema integrato per la cattura, The invention relates to an integrated system for capturing,
l'amplificazione, il condizionamento analogico, la conversione analogicodigitale, l'elaborazione digitale, la trasmissione e la ricezione wireless amplification, analog conditioning, analog-to-digital conversion, digital processing, wireless transmission and reception
digitale in tempo reale di segnali elettrici neuronali, la visualizzazione real-time digital neuronal electrical signals, visualization
digitale di tali segnali, la registrazione digitale dei segnali in un computer digital recording of such signals, the digital recording of the signals into a computer
ed al metodo di acquisizione ed elaborazione di tali segnali con lo and to the method of acquisition and processing of such signals with the
stesso. same.
STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE
La misurazione dell’attività neuronaie ha un ruolo fondamentale nella The measurement of neuronal activity plays a fundamental role in
ricerca scientifica sia in laboratorio che in clinica. Nel caso del scientific research both in the laboratory and in the clinic. In the case of the
laboratorio, lo studio dell’attività neuronaie negli animali sperimentali laboratory, the study of neuronal activity in experimental animals
permette di indagare sui meccanismi di funzionamento del cervello. In allows us to investigate the functioning mechanisms of the brain. In
clinica, gli stessi approcci offrono la possibilità di comprendere le basi clinical, the same approaches offer the possibility to understand the basics
neuronali delle affezioni neurologiche e di mettere a punto delle terapie neuronal diseases of neurological affections and to develop therapies
innovative per trattarle. innovative to treat them.
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neuronali delle affezioni neurologiche e di mettere a punto delle terapie innovative per trattarle. neuronal diseases of neurological diseases and to develop innovative therapies to treat them.
Diversi tipi di segnali elettrici caratterizzano l'attività neuronaie di un soggetto animale o umano. Different types of electrical signals characterize the neuronal activity of an animal or human subject.
Se sul versante fisiologico è fondamentale conoscere le complesse relazioni nella risposta neuronaie a stimoli di varia natura, ancora più essenziale è lo studio dell’attività neuronaie in condizioni patologiche, come ad esempio nell’epilessia. È infatti noto che l’attività cerebrale è soggetta ad una fine regolazione dovuta alle reciproche relazioni tra sistemi neuronali diversi e che molte patologie neurologiche sono caratterizzate da dis-regolazioni dell’attività neuronaie di specifici sistemi. If on the physiological side it is essential to know the complex relationships in the neuronal response to stimuli of various kinds, even more essential is the study of neuronal activity in pathological conditions, such as in epilepsy. It is in fact known that brain activity is subject to fine regulation due to the reciprocal relationships between different neuronal systems and that many neurological pathologies are characterized by dys-regulation of the neuronal activity of specific systems.
Un particolare tipo di segnali elettrici neuronali di interesse per questo tipo di studi sono quegli impulsi elettrici generati dai neuroni che sono caratterizzati da una fluttuazione di tensione elettrica di forma d'onda stereotipica chiamata "potenziale d'azione". È infatti il potenziale d'azione il segnale elettrico elementare che viene generato dai neuroni e tali potenziali sono generalmente dell’ordine dei pV (ad esempio tra 100 A particular type of neuronal electrical signals of interest for this type of study are those electrical impulses generated by neurons that are characterized by a stereotypical waveform electrical voltage fluctuation called an "action potential". In fact, the action potential is the elementary electrical signal that is generated by neurons and these potentials are generally of the order of pV (for example, between 100
e 500 pV) ed hanno la durata di millisecondi (ad esempio 1-1.5msec). and 500 pV) and have a duration of milliseconds (for example 1-1.5msec).
I neuroni sono interconnessi da molteplici collegamenti che costituiscono i canali fisici attraverso i quali si scambiano segnali elettrici. I segnali elettrici possono essere caratterizzati dalle loro sequenze temporali e distribuzioni spaziali di potenziali d'azione. Le sequenze e le distribuzioni costituiscono le parole di un linguaggio composto da messaggi che corrispondono alla codifica di funzioni o comportamenti complessi quali, ad esempio, le sensazioni, le percezioni, i movimenti e le decisioni. Neurons are interconnected by multiple connections that make up the physical channels through which electrical signals are exchanged. Electrical signals can be characterized by their time sequences and spatial distributions of action potentials. The sequences and distributions constitute the words of a language composed of messages that correspond to the encoding of complex functions or behaviors such as, for example, sensations, perceptions, movements and decisions.
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La misura dei potenziali d'azione si integra con lo studio del linguaggio neuronaie in quanto fornisce i dati per i modelli matematici di funzionamento del cervello, o di parti di esso. In questi modelli i neuroni vengono rappresentati da nodi di scambio di informazione che viaggia attraverso in una rete di interconnessioni, detta "rete neurale". The measurement of action potentials integrates with the study of neuronal language as it provides data for mathematical models of the functioning of the brain, or parts of it. In these models, neurons are represented by nodes of information exchange that travels through a network of interconnections, called the "neural network".
Lo studio dei segnali neuro-elettrici, intesi come potenziali d’azione, dei singoli neuroni è quindi fondamentale per la comprensione dei meccanismi di regolazione delle risposte nervose sia in condizioni fisiologiche che in condizioni patologiche. The study of the neuro-electrical signals, understood as action potentials, of individual neurons is therefore essential for understanding the mechanisms of regulation of nerve responses both in physiological and pathological conditions.
L'indagine standard prevede l'utilizzo in laboratorio di animali, molto spesso piccoli roditori, che per motivi metodologici scientifici o di tipo giuridico/legale sono adatti ad essere i soggetti negli esperimenti. The standard survey involves the use in the laboratory of animals, very often small rodents, which for scientific or legal / legal methodological reasons are suitable to be the subjects in the experiments.
Il sistema tradizionale per la misurazione dell'attività neuronaie si basa suH'utilizzo di elettrodi inseriti nel cervello del soggetto e collegati tramite un cavo elettrico a sistemi di registrazione controllati da un computer. The traditional system for measuring neuronal activity is based on the use of electrodes inserted in the brain of the subject and connected via an electric cable to recording systems controlled by a computer.
Diversi tipi di esperimenti possono essere condotti ed in generale si possono considerare due grandi categorie: "acuti" e "cronici". Different types of experiments can be conducted and in general two broad categories can be considered: "acute" and "chronic".
Durante gli esperimenti acuti il soggetto è sotto l’effetto dell’anestesia During acute experiments the subject is under the effect of anesthesia
generale, quindi immobile e privo di coscienza. Tuttavia molte delle aree cerebrali e sottocerebrali rimangono attive ed il loro studio e' ancora possibile. La restrizione allo studio di queste aree in queste condizioni risulta utile in relazione al fatto che effettuare registrazioni neuronali da un soggetto immobile semplifica l'esperimento da un punto di vista tecnico ed operativo. general, therefore immobile and devoid of conscience. However, many of the cerebral and subcerebral areas remain active and their study is still possible. The restriction to the study of these areas in these conditions is useful in relation to the fact that making neuronal recordings from an immobile subject simplifies the experiment from a technical and operational point of view.
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Gli esperimenti cronici sono invece caratterizzati da un soggetto sveglio e fisicamente attivo. Quest'ultimo caso e' interessante perché solamente in questa condizione e' possibile studiare le relazioni tra il comportamento del soggetto in esame ed i segnali neuronali presenti nel suo cervello, che si suppongono governare il suo comportamento. Chronic experiments, on the other hand, are characterized by an awake and physically active subject. This last case is interesting because only in this condition it is possible to study the relationships between the behavior of the subject under examination and the neuronal signals present in his brain, which are supposed to govern his behavior.
La configurazione "soggetto-cavo-apparecchiature" adottata finora dai sistemi tradizionali anche negli esperimenti cronici deriva sostanzialmente dalla necessità di avere un cavo elettrico per il collegamento di apparecchiature che, a causa delle loro dimensioni, non possono essere installate direttamente sul soggetto. Questa caratteristica porta intrinsecamente a diverse categorie di problemi. The "subject-cable-equipment" configuration adopted so far by traditional systems also in chronic experiments derives substantially from the need to have an electric cable for connecting equipment which, due to their size, cannot be installed directly on the subject. This feature inherently leads to several categories of problems.
Il primo e più evidente limite di un sistema di misurazione via cavo è la limitazione dovuto al peso del sistema di rilevazione stesso. Infatti, il soggetto e' sottoposto al peso del sistema di rilevazione e del cavo necessario per la trasmissione del segnale elettrico dal soggetto all’apparato di acquisizione ed analisi dello stesso. In animali di piccole dimensioni, come ad esempio piccoli roditori, il peso e le dimensioni delle apparecchiature necessarie alla misurazione di segnali neuronali può essere fortemente vincolante, se comparato al peso e quindi alla The first and most obvious limitation of a cable measuring system is the limitation due to the weight of the detection system itself. In fact, the subject is subjected to the weight of the detection system and the cable necessary for the transmission of the electrical signal from the subject to the acquisition and analysis apparatus of the same. In small animals, such as small rodents, the weight and dimensions of the equipment necessary for measuring neuronal signals can be strongly constraining, if compared to the weight and therefore to the
forza muscolare del soggetto. Diverse forze limitano il movimento del soggetto e la percezione di sé stesso neH'ambiente. Questi fattori possono alterare il comportamento del soggetto in misura tale da falsare gli studi comportamentali in esperimenti cronici. muscle strength of the subject. Different forces limit the movement of the subject and the perception of himself in the environment. These factors can alter the subject's behavior to an extent that they distort behavioral studies in chronic experiments.
Un secondo limite sempre derivante dalla presenza del cavo di connessione tra soggetto ed apparato di acquisizione ed analisi del A second limit always deriving from the presence of the connection cable between the subject and the acquisition and analysis apparatus of the
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segnale elettrico, è naturalmente la limitazione spaziale a cui il soggetto electrical signal, is of course the spatial limitation to which the subject
è sottoposto, essendo che alcuni movimenti del soggetto sono inibiti o is subjected, being that some movements of the subject are inhibited or
fortemente ostacolati dalla presenza del cavo. Il caso tipico e' quando il strongly hindered by the presence of the cable. The typical case is when the
soggetto deve muoversi aggirando ostacoli (un esempio può essere subject must move around obstacles (an example can be
anche il passaggio attraverso un tunnel che può far parte di esperimenti also the passage through a tunnel that can be part of experiments
sui metodi di navigazione e riconoscimento di percorsi): il movimento on methods of navigation and path recognition): movement
tridimensionale ne risulta impedito e quindi un'intera branca di three-dimensional is prevented and therefore an entire branch of
esperimenti comportamentali e' fortemente compromessa. behavioral experiments is severely impaired.
Un terzo e significativo limite è il problema elettrico connesso A third and significant limitation is the related electrical problem
all’acquisizione ed analisi di un segnale elettrico relativamente debole e to the acquisition and analysis of a relatively weak electrical signal e
di breve durata, quale il potenziale d'azione neuronaie. A causa della of short duration, such as the neuronal action potential. Because of
distanza fisica tra il soggetto e le apparecchiature e delle loro physical distance between the subject and the equipment and theirs
interconnessioni, le linee elettriche spesso introducono differenze di interconnections, power lines often introduce differences of
potenziale elettrico difficilmente controllabili che disturbano le electric potential difficult to control that disturb the
registrazioni. Questi fenomeni sono noti con il nome di ground loops e registrations. These phenomena are known as ground loops e
nel peggiore dei casi possono arrecare danni al soggetto stesso o alle in the worst case they can cause damage to the person himself or to
apparecchiature. equipment.
Un quarto problema, legato al precedente, e’ quello del rumore elettrico A fourth problem, related to the previous one, is that of electrical noise
introdotto dalla rete di alimentazione elettrica, usualmente intorno ai introduced by the power supply network, usually around
50/60 Hz. Questo porta a due importanti conseguenze negative. La 50/60 Hz. This leads to two important negative consequences. There
prima consiste nel fatto che l'elevata ampiezza di questi segnali possono first consists in the fact that the high amplitude of these signals can
indurre la saturazione degli stadi di amplificazione del segnale e quindi induce saturation of the signal amplification stages and therefore
favorire il loro danneggiamento. La seconda, invece, e' di natura favor their damage. The second, on the other hand, is natural
puramente tecnologica. Accade che la saturazione dello stadio di purely technological. It happens that the saturation of the stage of
amplificazione opera una trasformazione non lineare del segnale da amplification operates a non-linear transformation of the signal from
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parte dei dispositivi di amplificazione. Questo porta alla generazione di frequenze armoniche nel segnale amplificato, e sub-armoniche nel segnale convertito in digitale dopo essere stato amplificato. Il filtraggio del segnale dopo questi stadi (ad esempio un filtraggio digitale dopo la fase di acquisizione od uno analogico subito dopo lo stadio di amplificazione saturato) può creare un segnale di uscita di caratteristiche (ampiezza, durata, forma d'onda) simile ad un vero potenziale d'azione neuronaie, ma invece completamente artefatto a causa delle interferenze con il rumore introdotto dalla rete di alimentazione elettrica. part of the amplification devices. This leads to the generation of harmonic frequencies in the amplified signal, and sub-harmonics in the digitally converted signal after being amplified. The signal filtering after these stages (for example a digital filtering after the acquisition phase or an analog filtering immediately after the saturated amplification stage) can create an output signal with characteristics (amplitude, duration, waveform) similar to a true neuronal action potential, but instead completely artifact due to interference with the noise introduced by the electrical supply network.
Questo fenomeno può accadere anche in condizioni non facilmente ripetibili, quali ad esempio l'accensione e lo spegnimento di apparecchiature connesse alla stessa rete elettrica del set-up sperimentale ma non controllate dallo sperimentatore stesso, con la possibilità di introduzione di dati artefatti difficilmente identificabili in fase di acquisizione e di conseguenza difficilmente eliminabili a posteriori. This phenomenon can also occur in conditions that are not easily repeatable, such as the switching on and off of equipment connected to the same electrical network as the experimental set-up but not controlled by the experimenter himself, with the possibility of introducing artifact data that are difficult to identify in acquisition phase and consequently difficult to eliminate afterwards.
Un quinto limite è l’interferenza visuale causata dal cavo con sistemi automatici di localizzazione del soggetto. Normalmente il ricercatore riprende l'esperimento con una telecamera. Il cavo può interporsi in linea ottica tra la telecamera ed il soggetto, impedendo il corretto riconoscimento della sagoma del soggetto. A fifth limit is the visual interference caused by the cable with automatic subject localization systems. Normally the researcher films the experiment with a camera. The cable can be interposed in the optical line between the camera and the subject, preventing the correct recognition of the subject's silhouette.
Un sesto limite consiste nella fragilità meccanica del collegamento tra gli elettrodi ed il cavo. Movimenti bruschi del soggetto o dello sperimentatore possono danneggiare o rompere questo collegamento. A sixth limit is the mechanical fragility of the connection between the electrodes and the cable. Abrupt movements of the subject or experimenter can damage or break this connection.
Nel caso di piccoli animali da laboratorio il danno può manifestarsi anche come una lesione sul soggetto che può portare anche a gravi In the case of small laboratory animals, the damage can also manifest itself as a lesion on the subject which can also lead to serious ones
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conseguenze fisiche tali da compromettere sia lo stato di salute del soggetto, sia lo svolgimento di un esperimento la cui preparazione era basata su un periodo di addestramento di quel specifico soggetto. physical consequences such as to compromise both the state of health of the subject and the carrying out of an experiment whose preparation was based on a training period of that specific subject.
Per risolvere questi problemi sono stati proposti diversi sistemi di rilevazione tra cui sistemi di telemetria wireless. To solve these problems, various detection systems have been proposed, including wireless telemetry systems.
Nel brevetto US 6,052,619 si descrive un elettroencefalografo portatile in cui i fili di connessione tra il sistema di rilevazione del segnale elettrico posto sulla testa del soggetto ed il sistema di acquisizione dei dati neurologici è sostituito con un trasmettitore digitale. Nell’apparato descritto gli elettrodi di rilevazione dei segnali elettrici (nel caso specifico onde cerebrali derivanti dall’attività elettrica di più neuroni o di sistemi neuronali) sono localizzati sella testa del soggetto e sono collegati a preamplificatori a loro volta collegati ad amplificatori differenziali, la cui uscita è trattata da un convertitore analogico-digitale. I segnali vengono convertiti da analogici a digitali nel luogo dove sta il paziente e sono quindi trasmessi da un trasmettitore radio digitale ad un’unità di ricezione costituta da un ricevitore radio digitale con un demodulatore, un amplificatore e filtri per separare in bande i segnali demodulati. In US patent 6,052,619 a portable electroencephalograph is described in which the connection wires between the electrical signal detection system placed on the subject's head and the neurological data acquisition system are replaced with a digital transmitter. In the apparatus described, the electrodes for detecting electrical signals (in the specific case brain waves deriving from the electrical activity of several neurons or neuronal systems) are located on the subject's head and are connected to preamplifiers which are in turn connected to differential amplifiers. whose output is processed by an analog-to-digital converter. The signals are converted from analog to digital in the place where the patient is and are then transmitted by a digital radio transmitter to a receiving unit consisting of a digital radio receiver with a demodulator, an amplifier and filters to separate the demodulated signals into bands. .
Il sistema descritto prevede che questa unità sia controllata da un tecnico esperto in grado sia di selezionare le bande ed indirizzarle ad un altoparlante o ad una cuffia d'ascolto sia di interpretare il segnale The system described provides that this unit is controlled by an expert technician who is able both to select the bands and direct them to a loudspeaker or to a listening headset and to interpret the signal
acustico, in uscita dall’altoparlante, rappresentativo dei segnali elettrici rilevati dagli elettrodi. acoustic output from the speaker, representative of the electrical signals detected by the electrodes.
Il vantaggio di questo sistema sta nell'aver adottato la tecnologia digitale, sia in fase di acquisizione del segnale che in fase di trasmissione radio. The advantage of this system lies in having adopted digital technology, both in the signal acquisition phase and in the radio transmission phase.
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Infatti una condizione desiderabile e' quella di avere i segnali già in In fact, a desirable condition is to have the signals already in
forma digitale prima della trasmissione ad un dispositivo remoto di digital form before transmission to a remote device
ricezione, in quanto in dati in formato digitale sono meno soggetti ad reception, as data in digital format are less subject to
errori dovuti a disturbi di natura elettromagnetica durante la fase di errors due to electromagnetic disturbances during the
trasmissione radio. radio transmission.
Tuttavia l'applicazione in piccoli animali da laboratorio rimane ancora However, the application in small laboratory animals still remains
legata al problema delle dimensioni e del peso dei dispositivi. Inoltre lo linked to the problem of the size and weight of the devices. Also it
studio del linguaggio neuronaie e comportamentale richiede Neuronal and behavioral language study requires
apparecchiature e metodi diversi per la misurazione dei potenziali different equipment and methods for measuring potentials
d'azione neuronali, che sono segnali più deboli e veloci (e per questo più neuronal action, which are weaker and faster signals (and therefore more
difficilmente rilevabili) rispetto ai segnali elettroencefalografici (EEG, difficult to detect) compared to electroencephalographic signals (EEG,
EKG, EMG). La maggior difficoltà intrinseca della misurazione dei EKG, EMG). The greatest inherent difficulty in measuring the
potenziali d'azione rispetto agli altri tipi di segnali neuronali implica la action potentials compared to other types of neuronal signals implies the
necessità di una maggior complessità dei dispositivi che si scontra con le need for greater complexity of the devices that clashes with
difficoltà di una loro integrazione su una scala sufficientemente piccola difficulty of their integration on a sufficiently small scale
per l'applicazione non invasiva sugli animali da laboratorio. for non-invasive application on laboratory animals.
Nel brevetto US 6,654,633 si descrive un sistema mobile di acquisizione In US patent 6,654,633 a mobile acquisition system is described
di segnali neurologici (fra i quali potenziali d’azione neuronali) of neurological signals (including neuronal action potentials)
impiegabile sull'uomo o su animali di laboratorio, in cui tali segnali sono usable on humans or laboratory animals, where these signals are
trasmessi per via analogica, anziché digitale, ad una unità di ricezione transmitted analogically, rather than digitally, to a receiving unit
per l’analisi ed in questa convertiti in informazioni digitali. for analysis and in this converted into digital information.
La convenienza di questo sistema sta nel compromesso di adottare una The convenience of this system lies in the compromise of adopting one
tecnologia di trasmissione analogica al fine di ridurre la complessità del analog transmission technology in order to reduce the complexity of the
trasmettitore radio, e di conseguenza peso e dimensioni radio transmitter, and consequently weight and dimensions
dell'apparecchiatura, con lo scopo di renderla trasportabile anche da un of the equipment, with the aim of making it transportable also by a
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animale da laboratorio ma allo stesso tempo rinunciando a priori a parte laboratory animal but at the same time renouncing a priori apart
dei vantaggi, in primo luogo la maggiore affidabilità dei segnali ricevuti of the advantages, first of all the greater reliability of the received signals
dovuta ad una minore degradazione del contenuto informativo dei due to a minor degradation of the information content of the
segnali trasmessi codificati in formato numerico, di una tecnologia transmitted signals encoded in numerical format, of a technology
puramente digitale. purely digital.
È quindi un primo scopo della presente invenzione ridurre il peso del It is therefore a first object of the present invention to reduce the weight of the
sistema di telemetria in modo da rendere il dispositivo in grado di essere telemetry system in order to make the device capable of being
trasportato in modo agevole non solo da pazienti umani ma anche da smoothly transported not only by human patients but also by
animali da laboratorio al fine della misurazione dei potenziali d'azione laboratory animals for the purpose of measuring action potentials
neuronali. neuronal.
È ancora uno scopo della presente invenzione ridurre le dimensioni del It is still an object of the present invention to reduce the size of the
sistema di telemetria eliminando la presenza del cavo al fine aumentare telemetry system by eliminating the presence of the cable in order to increase
la capacità di visualizzare le condizioni dell’esperimento. the ability to visualize the conditions of the experiment.
È ancora uno scopo della presente invenzione utilizzare It is still an object of the present invention to use
un'alimentazione a batteria per i dispositivi del sistema di telemetria a battery power supply for the telemetry system devices
trasportato dal soggetto e ad esso applicato al fine di ridurre gli effetti carried by the subject and applied to it in order to reduce the effects
negativi dei ground loops. negatives of ground loops.
È ancora uno scopo della presente invenzione adottare una particolare It is still an object of the present invention to adopt a detail
soluzione tecnica, definita e descritta dettagliatamente in seguito con il technical solution, defined and described in detail below with
nome di "configurazione ad amplificatore operazionale da name of "operational amplifier configuration from
strumentazione generalizzato" in fase di amplificazione inserita in una generalized instrumentation "in the amplification phase inserted in a
catena di condizionamento del segnale che prevede un filtraggio signal conditioning chain that includes filtering
analogico (controllato digitalmente) prima della fase di conversione analog (digitally controlled) before the conversion phase
analogico-digitale al fine di ridurre i disturbi elettrici e gli artefatti nelle analog-digital in order to reduce electrical noise and artifacts in the
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misure di segnali neuronali derivanti dalle linee di alimentazione elettrica a 50/60 Hz. measurements of neuronal signals deriving from the power supply lines at 50/60 Hz.
È ancora uno scopo della presente invenzione adottare una tecnologia digitale anche in fase di acquisizione del segnale e di trasmissione wireless al fine di aumentare l'affidabilità dei dati ricevuti via radio dal soggetto. Another object of the present invention is to adopt a digital technology also in the signal acquisition and wireless transmission phase in order to increase the reliability of the data received by radio from the subject.
È un ulteriore scopo della presente invenzione adottare un sistema di telemetria integrato al fine eliminare il collegamento meccanico tra gli elettrodi ed il cavo, suscettibile a rottura e possibile fonte di lesioni per il soggetto. It is a further object of the present invention to adopt an integrated telemetry system in order to eliminate the mechanical connection between the electrodes and the cable, susceptible to breakage and a possible source of injury for the subject.
È ancora uno scopo della presente invenzione fornire un ambiente software di gestione dei parametri del dispositivo di trasmissione, visualizzazione digitale in tempo reale dei segnali e la loro registrazione digitale compatibile con il software di analisi matematica, molto conosciuto ed utilizzato dalla comunità scientifica, Matlab ("The MathWorks, Ine., http://www.mathworks.com") al fine fornire una metodologia agevole per l'utilizzo della stessa invenzione ed l'analisi dei dati con essa ottenuti. Another object of the present invention is to provide a software environment for managing the parameters of the transmission device, real-time digital display of the signals and their digital recording compatible with the mathematical analysis software, well known and used by the scientific community, Matlab ( "The MathWorks, Ine., Http://www.mathworks.com") in order to provide an easy methodology for the use of the same invention and the analysis of the data obtained with it.
SOMMARIO SUMMARY
La presente invenzione adempie agli scopi sopra menzionati fornendo un sistema di neuro-telemetria il quale comprende un sistema di The present invention fulfills the aforementioned purposes by providing a neuro-telemetry system which comprises a system of
acquisizione di segnali neuronali integrato mobile wireless digitale. digital wireless mobile integrated neuronal signal acquisition.
È quindi oggetto dell’invenzione un sistema integrato di neuro-telemetria per l’acquisizione di segnali elettrici neuronali comprendente: The subject of the invention is therefore an integrated neuro-telemetry system for the acquisition of neuronal electrical signals including:
7462PTIT Λ/ofanbarfo/o & Gervasi S.p.A. 7462PTIT Λ / ofanbarfo / o & Gervasi S.p.A.
una unità remota (1) per l'amplificazione analogica di a remote unit (1) for the analog amplification of
segnali elettrici neuronali rilevati da uno o più elettrodi neuronal electrical signals detected by one or more electrodes
impiantati in aree cerebrali scelte ed ad essa collegabili, il implanted in selected and connectable brain areas, the
filtraggio di tali segnali, la conversione di tali segnali da filtering such signals, converting those signals from
analogici a digitali mediante un microprocessore dotato di analog to digital by means of a microprocessor equipped with
almeno un convertitore analogico/digitale e la trasmissione at least one analog / digital converter and transmission
degli stessi via radio ad una stazione di ricezione mediante of the same via radio to a receiving station using
un trasmettitore radio integrato; an integrated radio transmitter;
una stazione radio di base (2) per la ricezione dei pacchetti a radio base station (2) for receiving packets
di dati contenenti la rappresentazione digitale dei segnali of data containing the digital representation of the signals
elettrici neuronali acquisiti ad essa trasmessi dall'unità acquired neuronal electrical signals transmitted to it by the unit
remota (1) ed interfacciabile con un secondo remote (1) and interfaceable with a second
microprocessore per il loro immagazzinamento nella microprocessor for their storage in the
memoria dello stesso, elaborazione e visualizzazione su memory of the same, processing and display on
mezzi adatti ad esso collegabili; suitable means connectable to it;
un’unità di gestione (3) costituita da un computer a management unit (3) consisting of a computer
collegabile alla stazione radio di base (2) e che controlla connectable to the radio base station (2) and which it controls
entrambe le unità (1) e (2) mediante un programma in esso both units (1) and (2) by means of a program therein
incorporato, stabilendo una connessione bidirezionale tra le built-in, establishing a bidirectional connection between the
stesse con un protocollo di comunicazione adatto sia alla with a communication protocol suitable for both
gestione dei pacchetti di dati contenenti la management of data packets containing the
rappresentazione digitale dei segnali elettrici neuronali digital representation of neuronal electrical signals
acquisiti e trasmessi dall'unità remota (1) alla stazione radio acquired and transmitted from the remote unit (1) to the radio station
di base (2), sia alla programmazione via radio dei mezzi di base (2), and the radio programming of the means of
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condizionamento analogico del segnale neuronaie acquisito analogue conditioning of the acquired neuronal signal
compresi nell’unità remota (1). included in the remote unit (1).
È un ulteriore oggetto dell’invenzione un metodo per l’acquisizione di A further object of the invention is a method for the acquisition of
segnali elettrici neuronali per via telemetrica comprendente almeno i telemetric neuronal electrical signals comprising at least i
passi di: steps of:
amplificare e condizionare in modalità analogica segnali amplify and condition signals in analog mode
elettrici rilevati da uno o più elettrodi impiantati in aree electrodes detected by one or more electrodes implanted in areas
cerebrali scelte e prodotti da neuroni; brain choices and produced by neurons;
convertire tali segnali elettrici acquisiti in modalità analogica convert these electrical signals acquired in analog mode
in pacchetti di dati contenenti la rappresentazione digitale di in data packets containing the digital representation of
tali segnali elettrici neuronali; such neuronal electrical signals;
trasmettere tali pacchetti di dati contenenti la transmit such data packets containing the
rappresentazione digitale di tali segnali elettrici neuronali digital representation of these neuronal electrical signals
via radio ad una stazione di ricezione mediante un via radio to a receiving station using a
trasmettitore radio integrato. integrated radio transmitter.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Verrà ora fornita una descrizione dettagliata del sistema e del metodo A detailed description of the system and method will now be provided
per l'acquisizione di segnali elettrici neuronali per via telemetrica della for the acquisition of neuronal electrical signals via telemetry of the
presente invenzione, data a scopo illustrativo e non limitativo, facendo present invention, given for illustrative and non-limiting purposes, by doing
riferimento i disegni allegati, in cui: reference the attached drawings, in which:
La Figura 1 è una rappresentazione schematica del sistema integrato di Figure 1 is a schematic representation of the integrated system of
neuro-telemetria della presente invenzione comprendente un’unità neuro-telemetry of the present invention comprising a unit
remota di amplificazione e conversione analogica/digitale, filtraggio, e remote amplification and analog / digital conversion, filtering, e
trasmissione radio di segnali elettrici neuronali, una stazione base, ed radio transmission of neuronal electrical signals, a base station, ed
un’unità di gestione; a management unit;
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La Figura 2 è una rappresentazione schematica dell’unità remota della Figure 2 is a schematic representation of the remote unit of the
Figura 1; Figure 1;
La Figura 3. è una rappresentazione schematica della stazione radio di Figure 3. is a schematic representation of the radio station of
base della figura 1; base of Figure 1;
La Figura 4 mostra l'organizzazione strutturale deN'unita' di gestione Figure 4 shows the structural organization of the management unit
della figura 1; of Figure 1;
La Figura 5 mostra schematicamente l'implementazione circuitale delle Figure 5 schematically shows the circuit implementation of the
funzioni dell'unita' remota di figura 1 ; functions of the remote unit of figure 1;
La Figura 6 rappresenta lo schema elettrico fondamentale di uno stadio Figure 6 represents the basic wiring diagram of a stage
ad amplificatore da strumentazione in rapporto alle modifiche introdotte to instrumentation amplifier in relation to the changes introduced
su un circuito "amplificatore da strumentazione generalizzato" secondo on a second "generalized instrumentation amplifier" circuit
la presente invenzione; the present invention;
La Figura 7 rappresenta una rete bipolare sostitutiva esemplificante il Figure 7 represents a replacement bipolar network exemplifying the
funzionamento dello stadio ad amplificatore da strumentazione operation of the instrumentation amplifier stage
generalizzato della figura precedente; generalized of the previous figure;
La Figura 8 rappresenta un diagramma esemplificativo del guadagno di Figure 8 represents an exemplary diagram of the gain of
uno stadio ad amplificatore da strumentazione generalizzato in funzione a generalized instrumentation amplifier stage in operation
della frequenza del segnale; the frequency of the signal;
La Figura 9 illustra in maniera schematica visiva i fenomeni che Figure 9 visually illustrates the phenomena that
accadono neH'implementazione dello stadio ad amplificatore da occur in the implementation of the amplifier stage from
strumentazione generalizzato, secondo la presente invenzione; generalized instrumentation, according to the present invention;
La Figura 10 rappresenta lo schema a blocchi funzionali della procedura Figure 10 represents the functional block diagram of the procedure
di sincronizzazione, secondo la presente invenzione; synchronization, according to the present invention;
La Figura 11 rappresenta lo schema a blocchi funzionali della procedura Figure 11 represents the functional block diagram of the procedure
di acquisizione, secondo la presente invenzione. acquisition, according to the present invention.
14 14
ì_ 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A. ì_ 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A.
La Figura 12 rappresenta lo schema a blocchi funzionali della procedura di comunicazione, secondo la presente invenzione; Figure 12 represents the functional block diagram of the communication procedure, according to the present invention;
La Figura 13 rappresenta lo schema a blocchi funzionali della procedura di configurazione, secondo la presente invenzione; Figure 13 represents the functional block diagram of the configuration procedure, according to the present invention;
La Figura 14 rappresenta la traccia temporale di un segnale neuronaie registrato con una forma di realizzazione del sistema della presente invenzione durante un esperimento di esempio; Figure 14 represents the time trace of a neuronal signal recorded with an embodiment of the system of the present invention during an exemplary experiment;
La Figura 15 rappresenta un ingrandimento del segnale della figura 14; e Figure 15 is an enlargement of the signal of Figure 14; And
La Figura 16 rappresenta un singolo potenziale d'azione registrato con una forma di realizzazione del sistema della presente invenzione durante un esperimento di esempio, in relazione al rapporto segnale rumore. Figure 16 represents a single action potential recorded with an embodiment of the system of the present invention during an example experiment, in relation to the signal to noise ratio.
La presente invenzione permette di superare i limiti dei sistemi e metodi esistenti mediante un sistema integrato per l’acquisizione, l'amplificazione, il condizionamento analogico, la conversione A/D, la trasmissione wireless digitale, la registrazione digitale e la visualizzazione in tempo reale di segnali elettrici neuronali. The present invention allows to overcome the limitations of existing systems and methods by means of an integrated system for acquisition, amplification, analog conditioning, A / D conversion, digital wireless transmission, digital recording and real-time display. of neuronal electrical signals.
Rispetto ai sistemi esistenti e per superare i limiti tecnici degli stessi, il sistema integrato di neuro-telemetria oggetto dell’invenzione prevede di utilizzare componenti miniaturizzati per l'elettronica relativa all'unita' remota ed un design elettronico/meccanico che tiene conto dei problemi esposti precedentemente. Compared to existing systems and to overcome their technical limits, the integrated neuro-telemetry system object of the invention envisages the use of miniaturized components for the electronics relating to the remote unit and an electronic / mechanical design that takes into account the problems previously exposed.
Allo scopo, secondo l’invenzione è previsto un primo apparato come mostrato in fig. 1 il quale comprende tre distinte unità tra di loro collegate e tali unità sono: un’unità remota (1) collegata in modalità wireless con una seconda unità consistente in una stazione di base (2) di ricezione For this purpose, according to the invention a first apparatus is provided as shown in fig. 1 which includes three distinct units connected to each other and these units are: a remote unit (1) connected wirelessly with a second unit consisting of a base station (2) for reception
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del segnale ed una terza unità di gestione del sistema (3) collegata bidirezionalmente alle due precedenti unità (1) e (2) per il controllo delle stesse. signal and a third system management unit (3) bidirectionally connected to the two previous units (1) and (2) for controlling them.
L’unità remota (1), come mostrato in fig. 2, e' un dispositivo elettronico autonomo che comprende essenzialmente almeno: The remote unit (1), as shown in fig. 2, is an autonomous electronic device which essentially comprises at least:
1. un ingresso differenziale costituito da due terminali ("ingresso" e "reference") con almeno le seguenti caratteristiche elettriche: 1. a differential input consisting of two terminals ("input" and "reference") with at least the following electrical characteristics:
impedenza di ingresso = 10<10>Ω input impedance = 10 <10> Ω
capacità di ingresso = 4 pF; input capacitance = 4 pF;
2. un amplificatore differenziale con almeno le seguenti caratteristiche elettriche: 2. a differential amplifier with at least the following electrical characteristics:
reiezione di modo comune = 125 dB common mode rejection = 125 dB
banda = DC to 50 kHz band = DC to 50 kHz
guadagno lineare fra 500 Hz e 50 kHz = 3000; linear gain between 500 Hz and 50 kHz = 3000;
3. un dispositivo di riduzione del rumore nella banda di frequenze di 50/60 Hz che agisca limitando un'eventuale saturazione prodotta dal rumore nello stadio di amplificazione; 3. a noise reduction device in the 50/60 Hz frequency band which acts by limiting any saturation produced by the noise in the amplification stage;
4. un sistema di filtri analogici riconfigurabili programmabili digitalmente; 4. a system of digitally programmable reconfigurable analog filters;
5. un convertitore analogico-digitale con almeno le seguenti 5. an analog-to-digital converter with at least the following
caratteristiche: features:
risoluzione = 8 bit resolution = 8 bits
frequenza di campionamento = 20 kHz; sampling rate = 20 kHz;
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6. un sistema a microcontrollore comprendente almeno una RAM, un EEPROM ed una CPU; 6. a microcontroller system comprising at least a RAM, an EEPROM and a CPU;
7. un rice-trasmettitore radio con modulazione digitale; 7. a radio transceiver with digital modulation;
8. un antenna radio integrata; 8. an integrated radio antenna;
9. un sistema di alimentazione a batteria per tutte le parti precedentemente descritte; 9. a battery power system for all the parts described above;
Inoltre, l’unità remota (1) con la sopra descritta configurazione è in grado di svolgere in tempo reale le seguenti funzioni di: In addition, the remote unit (1) with the configuration described above is able to perform the following functions in real time:
a) rilevazione di segnali elettrici prodotti da neuroni mediante elettrodi ad essa collegati; a) detection of electrical signals produced by neurons by means of electrodes connected to it;
b) amplificazione differenziale dei segnali elettrici rilevati con la cancellazione dei segnali di modo comune; b) differential amplification of the electrical signals detected with the cancellation of the common mode signals;
c) protezione da disturbi elettrici presenti nell'ambiente derivanti dalle linee di alimentazione a 50/60Hz e relativa schermatura elettromagnetica; c) protection from electrical disturbances in the environment deriving from the 50 / 60Hz power supply lines and relative electromagnetic shielding;
d) filtrazione attiva analogica del segnale amplificato con possibilità d) analog active filtering of the amplified signal with possibility
di riconfigurazione digitale dei parametri via collegamento radio con la seconda unità consistente nella stazione di base (2), mediante il controllo del software incorporato nel sistema di gestione (3), per la selezione dei segnali elettrici di interesse; digital reconfiguration of the parameters via radio connection with the second unit consisting of the base station (2), by controlling the software incorporated in the management system (3), for the selection of the electrical signals of interest;
e) conversione da analogico a digitale dei segnali elettrici filtrati; e) analog to digital conversion of the filtered electrical signals;
f) codifica dei dati neuronali in pacchetti, aggiunta di numeri f) encoding of neuronal data in packets, addition of numbers
sequenziali e “flag" di stato sistema; sequential and system status "flags";
g) gestione dei controlli digitali e dei protocolli di comunicazione digitale radio con la stazione di base (2) mediante un sistema a g) management of digital controls and digital radio communication protocols with the base station (2) by means of a system a
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microprocessore dotato di capacità di calcolo e software in grado di garantire che l'esecuzione di tutte le istruzioni awenga al massimo con un ritardo temporale finito (sistema " real-time "); microprocessor equipped with calculation capabilities and software capable of guaranteeing that the execution of all the instructions takes place at most with a finite time delay ("real-time" system);
h) modulazione dei dati trasmessi e demodulazione dei dati ricevuti mediante ricetrasmettitore radio integrato con velocità di modulazione sufficiente a stabilire una connessione bidirezionale fra l'unita' remota (1) e la stazione base (2) senza violare la condizione di “real-time" descritta al punto precedente; h) modulation of the transmitted data and demodulation of the received data by means of an integrated radio transceiver with modulation speed sufficient to establish a bidirectional connection between the remote unit (1) and the base station (2) without violating the "real-time" condition "described in the previous point;
i) isolamento elettrico del sistema di telemetria neuronaie per la limitazione dei problemi derivanti dai ground loops ; i) electrical isolation of the neuronal telemetry system to limit the problems deriving from ground loops;
j) integrazione comprendente la riduzione del peso e le dimensioni dei dispositivi al fine di soddisfare i requisiti di stabilità meccanica e tollerabilità fisica del sistema di telemetria da parte del soggetto e le limitazioni di invasività del sistema di telemetria rispetto al suo utilizzo in combinazione con sistemi di ripresa di immagini; j) integration including the reduction of the weight and dimensions of the devices in order to meet the requirements of mechanical stability and physical tolerability of the telemetry system by the subject and the invasiveness limitations of the telemetry system with respect to its use in combination with systems image shooting;
k) monitoraggio dello stato di carica della batteria. k) monitoring of the state of charge of the battery.
La stazione radio di base (2) mostrata in figura 3 e' un dispositivo elettronico che comprende essenzialmente almeno: The radio base station (2) shown in Figure 3 is an electronic device which essentially comprises at least:
1. un'antenna radio; 1. a radio antenna;
2. un rice-trasmettitore radio con modulazione digitale; 2. a radio transceiver with digital modulation;
3. un sistema a microcontrollore comprendente almeno una RAM, un EEPROM ed una CPU; ed 3. a microcontroller system comprising at least a RAM, an EEPROM and a CPU; and
4. un'interfaccia per lo scambio dei dati fra il sistema a microcontrollore ed un personal computer. 4. an interface for data exchange between the microcontroller system and a personal computer.
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Secondo questa configurazione, la stazione radio di base (2) è in grado di svolgere in tempo reale le seguenti funzioni di: According to this configuration, the radio base station (2) is able to perform the following functions in real time:
a) aggancio reciproco di una coppia di dispositivi - unità remota (1) e stazione base (2) - con auto-assegnazione dinamica di indirizzi identificativi della coppia e del canale radio anche in presenza di altri dispositivi che trasmettono sulle stesse bande di frequenza radio; a) mutual coupling of a pair of devices - remote unit (1) and base station (2) - with dynamic self-assignment of identification addresses of the pair and of the radio channel even in the presence of other devices that transmit on the same radio frequency bands ;
b) sincronizzazione reciproca degli orologi interni della coppia agganciata; b) mutual synchronization of the internal clocks of the engaged couple;
c) riaggancio in fase di perdita temporanea del segnale radio e di interferenza con altri dispositivi e riassegnazione dinamica degli indirizzi identificativi; c) hang up during temporary loss of the radio signal and interference with other devices and dynamic reassignment of the identification addresses;
d) ricezione dei pacchetti contenenti i dati che codificano i segnali neuronali acquisiti e trasmessi daN'unita' remota (1); d) reception of the packets containing the data encoding the neuronal signals acquired and transmitted by the remote unit (1);
e) controllo dell'integrità dei pacchetti dati ricevuti e generazione di codici di errore per l'identificazione dei pacchetti errati; e) checking the integrity of the data packets received and generating error codes for identifying erroneous packets;
f) trasmissione dei parametri di configurazione dei filtri analogici programmabili all'unita' remota (1); f) transmission of the configuration parameters of the programmable analog filters to the remote unit (1);
g) trasmissione dei parametri di gestione all'unita' remota (1) provenienti dal software di gestione (3); g) transmission of the management parameters to the remote unit (1) from the management software (3);
h) trasmissione delle impostazioni all'unita<1>remota (1) riguardanti le h) transmission of the settings to the remote unit <1> (1) concerning the
modalità di selezione dei segnali neuronali acquisiti da trasmettere alla stazione di base (2); how to select the acquired neuronal signals to be transmitted to the base station (2);
i) ricezione dei dati relativi allo stato di carica della batteria e variabili di stato dell'unita' remota (1); i) receipt of data relating to the state of charge of the battery and status variables of the remote unit (1);
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j) gestione del protocollo di comunicazione con il software di j) management of the communication protocol with the software
gestione (3) residente in un personal computer. management (3) residing in a personal computer.
Con riferimento alla fig. 4, l’unità di gestione (3) è un computer With reference to fig. 4, the management unit (3) is a computer
interfacciata alla stazione radio di base (2) e che per la gestione della interfaced with the radio base station (2) and that for the management of the
unità remota (1) e della stessa stazione di base (2) e per l'elaborazione remote unit (1) and the same base station (2) and for processing
dei dati corrispondenti ai segnali neuronali incorpora un software di of the data corresponding to the neuronal signals incorporates a software of
controllo che svolge almeno le seguenti funzioni di: control that performs at least the following functions of:
a) gestione dello scambio dati con la stazione base (2); a) management of data exchange with the base station (2);
b) gestione dei parametri deH'unita' remota (1); b) management of the parameters of the remote unit (1);
c) gestione della stazione di base(2); c) management of the base station (2);
d) visualizzazione digitale in tempo reale dei dati che rappresentano d) real-time digital display of the data they represent
i segnali neuronali; neuronal signals;
e) archiviazione in tempo reale in formato digitale dei dati che e) real-time storage in digital format of the data that
rappresentano i segnali neuronali; represent neuronal signals;
f) interfaccia utente per la gestione dei filtri analogici programmabili f) user interface for the management of programmable analog filters
dell'unita' remota (1). remote unit (1).
Il circuito elettronico dell’unità remota (1) viene di seguito descritto in The electronic circuit of the remote unit (1) is described below in
riferimento alla figura 5. Gli amplificatori differenziali A2e d Αήcon fattore refer to figure 5. Differential amplifiers A2e d Αήcon factor
di amplificazione ad anello aperto K catturano il segnale neuronaie open loop amplification K capture the neuronal signal
sottoforma di differenza di potenziale elettrico applicato tra gli ingressi in in the form of electrical potential difference applied between the inputs in
e ref (rispettivamente "ingresso" e " reference ") e producono i segnali di and ref (respectively "input" and "reference") and produce the signals of
uscita A<+>ed A<'>che sono rispettivamente la differenza tra il segnale in ed output A <+> and A <'> which are respectively the difference between the signal in and
la retroazione β<+>e la differenza tra il segnale ref ed la retroazione β<'>, the feedback β <+> and the difference between the signal ref and the feedback β <'>,
entrambi moltiplicati per la costante di amplificazione K. I segnali β<+>e β<">both multiplied by the amplification constant K. The signals β <+> and β <">
vengono generati a partire da A<+>ed Α<'>. Il differenziatore Δ riproduce tra they are generated starting from A <+> and Α <'>. The differentiator Δ reproduces between
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Δ<+>e A la stessa differenza di potenziale tra i segnali A<+>ed A Il condizionatore β riceve in ingresso la differenza tra Δ<+>e A e la moltiplica nel dominio della frequenza per la sua funzione di trasferimento H(s). Il risultato e' la differenza di potenziale tra le retroazioni fi e p. La chiusura di questa retroazione ad anello stabilisce istante per istante il valore della differenza tra Δ<+>e A che il differenziatore valuta generando il segnale di uscita Δ<0>, il quale viene trasmesso come ingresso al filtro F. Tutto il comportamento e' descritto matematicamente dalle seguenti equazioni: Δ <+> and A the same potential difference between the signals A <+> and A The conditioner β receives in input the difference between Δ <+> and A and multiplies it in the frequency domain by its transfer function H ( s). The result is the potential difference between the feedbacks fi and p. The closure of this loop feedback establishes instant by instant the value of the difference between Δ <+> and A which the differentiator evaluates by generating the output signal Δ <0>, which is transmitted as an input to the filter F. All behavior is 'described mathematically by the following equations:
A<+>-A<~>= K(in - fi)- K(ref-fi)= K(in - ref)- K(fi - fi) A <+> - A <~> = K (in - fi) - K (ref-fi) = K (in - ref) - K (fi - fi)
1. < A<+>- A<~>= Δ<+>- Δ<~>1. <A <+> - A <~> = Δ <+> - Δ <~>
F -p- = H(s)-( - A ) F -p- = H (s) - (- A)
2. A° = lim 2. A ° = lim
K→+∞ K → + ∞
Lo scopo di questa configurazione circuitale, che denominiamo "amplificatore da strumentazione generalizzato", è proprio quello di arrivare alla sua funzione descritta dall'equazione 2 ed è garantita dalla scelta di amplificatori differenziali ad elavato fattore di amplificazione ad anello aperto K. The purpose of this circuit configuration, which we call "generalized instrumentation amplifier", is precisely to arrive at its function described by equation 2 and is guaranteed by the choice of differential amplifiers with high open-loop amplification factor K.
Infatti un'opportuna scelta della funzione di trasferimento H(s) del circuito condizionatore /? consente il filtraggio di componenti di frequenza attorno a 50/60Hz, che possiedono un livello di tensione superiore al segnale In fact, an appropriate choice of the transfer function H (s) of the conditioning circuit /? it allows the filtering of frequency components around 50 / 60Hz, which have a voltage level higher than the signal
neuronaie, evitando la saturazione dello stadio di amplificazione. neuronaie, avoiding saturation of the amplification stage.
Alla luce di questa formulazione in un normale stadio amplificatore in configurazione "amplificatore da strumentazione" (vedi figura 6), descritto nella letteratura dei circuiti elettronici, la funzione di In light of this formulation in a normal amplifier stage in an "instrumentation amplifier" configuration (see figure 6), described in the electronic circuit literature, the function of
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trasferimento H(s) calcolata tra il quadripolo β, che ha come ingressi i transfer H (s) calculated between the quadripole β, which has as inputs i
nodi Δ<*>e Δ e come uscite i nodi /Γ e β, vale: ;; ;; questo corrisponde ad un guadagno del segnale di uscita Δ<0>rispetto all ;segnale di ingresso differenziale in-ref pari a: ;;4. G = '<~ R>°<+ 2R>;H(s ) R G, ;;ossia dunque al valore del guadagno di uno stadio amplificatore in ;configurazione "amplificatore da strumentazione", come noto dalla ;letteratura elettronica. ;Il vantaggio della formulazione analitica qui proposta (equazioni 1. e 2.) ;sta nel fatto che tramite essa risulta evidente che nella configurazione ad ;amplificatore da strumentazione il guadagno G, come riportato ;nell'equazione 4., e' solo un caso particolare di una configurazione ;circuitale, che pertanto denominiamo "amplificatore da strumentazione ;generalizzato", nella quale la scelta della funzione H(s) del quadripolo ;che ha come ingressi i nodi Δ<+>e Δ e come uscite i nodi e p e' stata ;ristretta ad un valore costante G nel dominio delle frequenze. ;In un'applicazione della configurazione ad amplificatore da ;strumentazione generalizzato, sostituendo la resistenza RQ con un ; bipolo illustrato in figura 7, di impedenza: ;; ; 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A. ;;e sostituendo questa espressione al posto della RGnell'equazione 4. si ottiene la funzione di trasferimento GfsJ tra l'ingresso differenziale in-ref ;; ;;; che è della forma generale: ;; ;;; Dall'equazione 7. si vede che l'andamento asintotico del guadagno in funzione della frequenza e' distinto in due regioni aventi valore limite: ;;lim ;<s→0> ; 8. i ;lim ;s→+∞ ;; il cui andamento del modulo visibile in figura 8. ;I valori asintotici della funzione di trasferimento per i casi limite della frequenza del segnale tendente a zero o infinito possono essere calibrati con un scelta di valori per i componenti della rete in figura 7 in modo che la curva qualitativa in figura 8, il cui significato e' il modulo della risposta in frequenza del guadagno dell'amplificatore, presenti un valore basso ; per frequenze inferiori a 50/60 Hz e piu' elevato per frequenze superiori. ;Un'analisi spettrale del contenuto delle frequenze dei segnali di potenziali d'azione, come segnali di forma d'onda stereotipica, mostra ;7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A. ;;che essi non contengono componenti di frequenza significative al di sotto ;di frequenze dell'ordine di 1kHz, corrispondentemente al reciproco della ;durata tipica di un potenziale di azione di 1ms. ;Un'ulteriore analisi della funzione H(s), reciproca della funzione G(s) ;progettata neH'implementazione dell'amplificatore da strumentazione ;generalizzato descritta, mostra che il ruolo del quadripolo β e' quello di ;lasciare inalterate le componenti di bassa frequenza (rumore a 50/60 Hz) ;e di attenuare i segnali aventi componenti di alta frequenza (segnale ;neuronaie). ;L'amplificazione del segnale neuronaie è dovuta al fatto che il suddetto ;quadripolo e' inserito in un'anello di feedback costituito dagli amplificatori ;differenziali della configurazione ad amplificatore generalizzato che, a ;causa della rete circuitale che descrivono, operano il reciproco della ;funzione di trasferimento H(s) nel dominio delle frequenze. In questo ;modo ciò' che il quadripolo β attenua alla sua uscita fra i nodi β* e β, nodes Δ <*> and Δ and as the nodes / Γ and β come out, it is worth: ;; ;; this corresponds to a gain of the output signal Δ <0> with respect to the differential input signal in-ref equal to: ;; 4. G = '<~ R> ° <+ 2R>; H (s) R G, ;; that is therefore to the value of the gain of an amplifier stage in an "instrumentation amplifier" configuration, as known from the electronic literature. ; The advantage of the analytical formulation proposed here (equations 1. and 2.); lies in the fact that through it it is evident that in the instrumentation amplifier configuration the gain G, as reported; in equation 4., it is only a particular case of a circuit configuration, which we therefore call "generalized instrumentation amplifier", in which the choice of the function H (s) of the quadripole; which has the nodes Δ <+> and Δ as inputs and the nodes e p and has been restricted to a constant value G in the frequency domain. In an application of the generalized instrumentation amplifier configuration, replacing the resistor RQ with a; bipole illustrated in figure 7, of impedance: ;; ; 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A. ;; and substituting this expression for RG in equation 4. we obtain the transfer function GfsJ between the differential input in-ref ;; ;;; which is of the general form: ;; ;;; From equation 7. it can be seen that the asymptotic trend of the gain as a function of frequency is divided into two regions having limit values: ;; lim; <s → 0>; 8. i; lim; s → + ∞ ;; whose modulus course can be seen in Figure 8.; The asymptotic values of the transfer function for the limiting cases of the signal frequency tending to zero or infinity can be calibrated with a choice of values for the network components in Figure 7 so that the qualitative curve in figure 8, whose meaning is the modulus of the frequency response of the amplifier gain, has a low value; for frequencies lower than 50/60 Hz and higher for higher frequencies. ; A spectral analysis of the frequency content of action potential signals, such as stereotypic waveform signals, shows; 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A. that they contain no significant frequency components below frequencies of the order of 1kHz, corresponding to the reciprocal of the typical duration of an action potential of 1ms. ; A further analysis of the H (s) function, reciprocal of the G (s) function; designed in the implementation of the instrumentation amplifier; generalized described, shows that the role of the β quadrupole is to; leave the components of low frequency (noise at 50/60 Hz); and to attenuate signals having high frequency components (signal; neuronaie). ; The amplification of the neuronal signal is due to the fact that the aforementioned; quadripole is inserted in a feedback loop consisting of the amplifiers; differentials of the generalized amplifier configuration which, due to the circuit network they describe, operate the reciprocal of the ; transfer function H (s) in the frequency domain. In this way, what the quadripole β attenuates at its exit between the nodes β * and β,
viene amplificato nel segnale presente ai nodi Δ<+>e A , riportato tramite il it is amplified in the signal present at nodes Δ <+> and A, reported by the
differenziatore Δ dagli amplificatori Ai e A2, e che risulta essere allo differentiator Δ from amplifiers Ai and A2, and which turns out to be allo
stesso tempo l'ingresso per il quadripolo β ed il segnale differenziale di at the same time the input for the β quadripole and the differential signal of
uscita Δ<0>dell'amplificatore da strumentazione generalizzato. Δ <0> output of the generalized instrumentation amplifier.
Questo esempio applicativo illustra un vantaggio intrinseco della This application example illustrates an inherent advantage of the
configurazione generalizzata in relazione al problema della saturazione generalized configuration in relation to the saturation problem
degli stadi amplificatori di ingresso. of the input amplifier stages.
In figura 9 viene mostrato un esempio del ciclo operativo delle funzioni Figure 9 shows an example of the operating cycle of the functions
interne di amplificazione di un segnale neuronaie, rappresentato dalle internal amplification of a neuronal signal, represented by
piccole fluttuazioni, sovrapposto ad una grande componente di rumore a small fluctuations, superimposed on a large noise component a
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50Hz per uno stadio ad amplificatore da strumentazione generalizzato calcolato per un guadagno di 1000 sulla banda del segnale neuronaie. 50Hz for a generalized instrumentation amplifier stage calculated for a gain of 1000 on the neuronal signal band.
Si noti come in questo caso l'amplificazione dei potenziali d'azione neuronali risulti indipendente dal condizionamento della componente di Note how in this case the amplification of neuronal action potentials is independent of the conditioning of the component of
rumore a 50Hz, presentando un guadagno relativo di 1000 volte fermo restando che la componente di segnale a 50Hz non venga amplificata e noise at 50Hz, presenting a relative gain of 1000 times provided that the signal component at 50Hz is not amplified and
che in nessun nodo dello stadio essa non abbia una tensione superiore a that in any node of the stage it does not have a voltage higher than
quella presente all'ingresso. the one present at the entrance.
In questo esempio dunque un potenziale d'azione di 1mV può' essere amplificato 1000 volte fino al valore di 1V, senza che una componente di In this example, therefore, an action potential of 1mV can be amplified 1000 times up to the value of 1V, without a component of
rumore sovrapposta con ampiezza di 1V venga amplificata dello stesso superimposed noise with an amplitude of 1V is amplified by the same
fattore 1000 evitando quindi la saturazione dello stadio di ingresso che diversamente avrebbe compromesso l'amplificazione del potenziale d'azione. factor 1000 thus avoiding the saturation of the input stage which otherwise would have compromised the amplification of the action potential.
Successivamente il segnale pre-amplificato e condizionato viene fitrato Subsequently the pre-amplified and conditioned signal is filtered
in frequenza dal blocco F, il quale riceve i parametri per il filtraggio dal in frequency from block F, which receives the parameters for filtering from
blocco CPU. CPU block.
Il filtro programmabile F opera due funzioni: la prima e' l'eliminazione del residuo del rumore a 50/60Hz, la seconda consiste nel filtraggio del segnale neuronaie all'interno della sua banda in modo controllabile dall'operatore tramite l'impostazione dei parametri attraverso il software The programmable filter F operates two functions: the first is the elimination of the residual noise at 50 / 60Hz, the second consists in filtering the neuronal signal within its band in a way that can be controlled by the operator by setting the parameters through the software
di gestione (3). management (3).
La scelta della configurazione ad amplificatore da strumentazione generalizzato operante un pre-filtraggio unita al filtraggio finale del filtro programmabile F costituisce una soluzione al problema della riduzione The choice of the amplifier configuration from generalized instrumentation operating a pre-filtering combined with the final filtering of the programmable filter F constitutes a solution to the problem of reduction
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del rumore e della saturazione degli amplificatori che, alla luce della of the noise and saturation of the amplifiers which, in the light of the
formulazione e dell'analisi proposta, costituiscono due problemi formulation and the proposed analysis are two problems
interdipendenti dovuti alla non-commutabilita' delle operazioni di interdependent due to the non-commutability of the operations
amplificazione-differenziazione-filtraggio in un regime di amplificazione amplification-differentiation-filtering in an amplification regime
non lineare in caso di saturazione. non linear in case of saturation.
La non-commutabilita' delle operazioni non risulta evidente nel caso di The non-commutability of the operations is not evident in the case of
una teoria lineare dei circuiti all'interno della quale la configurazione a linear theory of circuits within which the configuration
standard degli amplificatori da strumentazione, descritta della letteratura standard of instrumentation amplifiers, described in the literature
elettronica, ha avuto origine. electronics, originated.
Il segnale filtrato viene convertito da analogico a digitale dal blocco ADC The filtered signal is converted from analog to digital by the ADC block
che comunica con il blocco MCU per l'acquisizione dei dati in formato which communicates with the MCU block for data acquisition in
digitale. Il blocco MCU inoltre gestisce lo scambio dei dati con il blocco digital. The MCU block also manages the data exchange with the block
RTX, il quale crea il collegamento radio con la stazione di base (2) per RTX, which creates the radio link with the base station (2) for
l'invio dei dati neuronali acquisiti ed il dialogo per l'impostazione dei the sending of the acquired neuronal data and the dialogue for the setting of the
controlli che avviene tramite il software del sistema di gestione (3). controls that takes place through the management system software (3).
L’unità remota (1) implementa le sue funzioni sia mediante l'hardware The remote unit (1) implements its functions both through the hardware
precedentemente descritto, sia mediante procedure software residenti previously described, both through resident software procedures
nel blocco MCU. La procedura di sincronizzazione, descritta nel “flow in the MCU block. The synchronization procedure, described in the “flow
chart” in figura 10, viene eseguita per prima all'accensione dell’unità chart "in figure 10, is performed first when the unit is turned on
remota (1). Viene inoltre eseguita ogni altra volta che sia richiesta per remote (1). It is also performed every other time it is required for
motivi di perdita di sincronizzazione . reasons for synchronization loss.
La procedura di sincronizzazione implementa il collegamento radio tra The synchronization procedure implements the radio link between
l’unità remota (1) e la stazione radio di base (2), ricevendo i parametri the remote unit (1) and the radio base station (2), receiving the parameters
del collegamento, quelli per il convertitore analogico-digitale ADC e per il of the connection, those for the ADC analog-to-digital converter and for the
filtro programmabile F. Se la sincronizzazione viene persa tutti i programmable filter F. If synchronization is lost all
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parametri vengono re-inizializzati e la sequenza viene ripetuta finché si parameters are re-initialized and the sequence is repeated until yes
raggiunge una condizione di collegamento stabile. Quindi il convertitore achieves a stable connection condition. Hence the converter
analogico-digitale ADC ed il filtro F vengono programmati. Stabilita la analog-digital ADC and filter F are programmed. Established the
sincronizzazione l'unita' remota (1) effettua l'acquisizione dei dati synchronization the remote unit (1) carries out the data acquisition
generati dalla conversione analogico-digitale del segnale neuronaie generated by the analogue-digital conversion of the neuronal signal
amplificato, secondo il diagramma di flusso mostrato in fig.11. amplified, according to the flow diagram shown in fig. 11.
La procedura di acquisizione segnala alla CPU di avviare la conversione The acquisition procedure signals the CPU to start the conversion
analogico-digitale e a conversione completa di poter processare i dati analog-to-digital and full conversion to be able to process data
per la trasmissione alla stazione radio di base (2). for transmission to the radio base station (2).
I dati preparati per essere trasmessi vengono copiati nel registro di The data prepared for transmission is copied into the register of
memoria TX Buffer, viene atteso il tempo necessario per la TX Buffer memory, the time necessary for the
riacquisizione, quindi l'intera procedura viene ripetuta in ciclo. reacquisition, then the whole procedure is repeated in cycle.
La procedura di comunicazione gestisce la comunicazione radio tra The communication procedure manages the radio communication between
l’unità remota (1) e la stazione di base (2) secondo il diagramma di the remote unit (1) and the base station (2) according to the diagram of
flusso mostrato in fig. 12. flow shown in fig. 12.
Questa procedura effettua la trasmissione dei dati dall’unità remota (1) al This procedure transmits data from the remote unit (1) to the
sistema di gestione (3). La procedura di comunicazione legge management system (3). The communication procedure reads
continuamente il registro di memoria TX Buffer, riempito costantemente continuously the TX Buffer memory register, constantly filled
dalla procedura di acquisizione. Se lo trova pieno accende il from the acquisition procedure. If it is full it turns on the
trasmettitore radio, carica nel trasmettitore i dati da trasmettere, li radio transmitter, loads the data to be transmitted into the transmitter, there
trasmette e spegne il trasmettitore. Dopo queste operazioni controlla se transmits and turns off the transmitter. After these operations check if
l’unità remota (1) ha necessità di ricevere dati dal sistema di gestione the remote unit (1) needs to receive data from the management system
(3). In caso negativo continua a controllare il TX Buffer, altrimenti si (3). If not, continue to check the TX Buffer, otherwise yes
occupa di accendere il ricevitore radio per la ricezione di eventuali dati takes care of turning on the radio receiver to receive any data
dal sistema di gestione (3). In caso non ci siano dati viene spento il by the management system (3). If there is no data, the
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ricevitore e la procedura si ripete come precedentemente descritto. In receiver and the procedure is repeated as previously described. In
caso di dati ricevuti dal sistema di gestione (3), l’unità remota (1) attiva la case of data received from the management system (3), the remote unit (1) activates the
procedura di configurazione. configuration procedure.
La procedura di configurazione gestisce i dati ricevuti dal sistema di The configuration procedure manages the data received from the system
gestione (3) sull’unità remota (1) per la gestione di parametri impostabili management (3) on the remote unit (1) for the management of settable parameters
dall'utente e i dati inerenti ai protocolli di comunicazione provenienti in by the user and the data relating to the communication protocols coming into
modo autonomo dalla stazione radio di base (2) secondo il diagramma di autonomous mode from the radio base station (2) according to the diagram of
flusso mostrato in figura 13. flow shown in figure 13.
Verrà ora fornita la descrizione di un esempio di realizzazione del The description of an example of embodiment of the
sistema della presente invenzione. system of the present invention.
Esempio di sistema integrato di neuro-telemetria Example of an integrated neuro-telemetry system
Caratteristiche dell'unita' remota (1): Characteristics of the remote unit (1):
- elettronica: componenti SMD (Surface Mounted Devices) montati su un - electronics: SMD components (Surface Mounted Devices) mounted on a
PCB (Printed Circuit Board) multistrato con piani di massa interni ed PCB (Printed Circuit Board) multilayer with internal ground planes ed
esterni per la schermatura elettromagnetica, alimentazione a batteria external for electromagnetic shielding, battery powered
ricaricabile ai polimeri di litio, LED (Light Emitting Diodes) di rechargeable lithium polymer, LED (Light Emitting Diodes) of
segnalazione per variabili e flag di stato, sistema a microcontrollore, signaling for variables and status flags, microcontroller system,
sezione radio (comprendente antenna integrata) operante nella banda di radio section (including integrated antenna) operating in the
frequenze a 2.4GHz, tasto multifunzione per reset ed impostazioni locali, 2.4GHz frequencies, multifunction button for reset and local settings,
FPAA (Field Programmable Analog Array) per il filtraggio analogico FPAA (Field Programmable Analog Array) for analog filtering
programmabile digitalmente, porta USB (Universal Serial Bus) di servizio digitally programmable, service USB (Universal Serial Bus) port
per aggiornamenti del software locale dell'unità, amplificatori differenziali for local unit software updates, differential amplifiers
che implementano la soluzione ad "amplificatore da strumentazione implementing the "instrumentation amplifier" solution
generalizzato" precedentemente descritta. generalized "previously described.
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- meccanica: involucro con rivestimento metallico conduttore per la - mechanics: casing with conductive metallic coating for the
protezione del sistema dai disturbi elettromagnetici, elettrodo in protection of the system from electromagnetic disturbances, electrode in
tungsteno incapsulato in un microtubo di silicio inserito in una guida a tungsten encapsulated in a silicon microtube inserted into a guide a
scorrimento coassiale costituita da un microtubo di acciaio collegato coaxial sliding consisting of a connected steel microtube
meccanicamente ed elettricamente al contenitore metallico per mechanically and electrically to the metal container for
l'implementazione del supporto meccanico e della schermatura the implementation of mechanical support and shielding
elettromagnetica dell'elettrodo, sistema di traslazione meccanico electrode electromagnetic, mechanical translation system
miniaturizzato per l'avanzamento a scorrimento lineare dell'elettrodo miniaturized for the linear sliding advancement of the electrode
all'interno della guida coassiale con regolazione micrometrica integrato inside the coaxial guide with integrated micrometric adjustment
sul PCB e schermato elettromagneticamente dall'involucro a on the PCB and electromagnetically shielded by the enclosure a
rivestimento metallico. metallic coating.
Caratteristiche della stazione di base (2): Base station features (2):
- elettronica: componenti SMD (Surface Mounted Devices) montati su un - electronics: SMD components (Surface Mounted Devices) mounted on a
PCB (Printed Circuit Board) multistrato con piani di massa interni ed PCB (Printed Circuit Board) multilayer with internal ground planes ed
esterni per la schermatura elettromagnetica, porta USB (Universal Serial external for electromagnetic shielding, USB port (Universal Serial
Bus) di servizio per aggiornamenti del software locale dell'unità e per la Service bus) for local software updates of the unit and for the
comunicazione con un PC sul quale è installato il software di gestione communication with a PC on which the management software is installed
(3), alimentazione tramite porta USB, sistema a microcontrollore, (3), power supply via USB port, microcontroller system,
sezione radio (comprendente antenna integrata) operante nella banda di radio section (including integrated antenna) operating in the
frequenze a 2.4GHz. frequencies at 2.4GHz.
Caratteristiche del software di gestione (3): Management software features (3):
- interfacciamento: gestione della connessione via USB tra software (3) e - interfacing: management of the USB connection between software (3) and
hardware (2) hardware (2)
- protocolli: decodifica dei pacchetti ricevuti dalla stazione di base (2) e - protocols: decoding of packets received by the base station (2) e
dialogo con essa attraverso una porta USB dialogue with it through a USB port
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- gestione: visualizzazione in tempo reale dei dati sottoforma di traccia di - management: real-time display of data in the form of a trace
oscilloscopio digitale sul monitor del PC connesso alla stazione di base digital oscilloscope on the PC monitor connected to the base station
(2), interfaccia grafica ad icone e pulsanti per il controllo (2), graphic interface with icons and buttons for control
dell'acquisizione, salvataggio su disco rigido dei dati in fase di acquisition, saving on hard disk of the data in phase
acquisizione (il tutto inserito neN'ambiente software Matlab - "The acquisition (all included in the Matlab software environment - "The
MathWorks, Ine., http://www.mathworks.corn'<1>). MathWorks, Ine., Http: //www.mathworks.corn '<1>).
Con un sistema appena descritto viene attuato un metodo per With a system just described, a method is implemented for
l’acquisizione di segnali elettrici neuronali per via telemetrica the acquisition of neuronal electrical signals via telemetry
comprendente almeno i passi di: including at least the steps of:
amplificare e condizionare in modalità analogica segnali amplify and condition signals in analog mode
elettrici rilevati da uno o più elettrodi impiantati in aree electrodes detected by one or more electrodes implanted in areas
cerebrali scelte e prodotti da singoli neuroni; brain choices and produced by single neurons;
convertire tali segnali elettrici acquisiti in modalità analogica convert these electrical signals acquired in analog mode
in pacchetti di dati contenenti la rappresentazione digitale di in data packets containing the digital representation of
tali segnali elettrici neuronali; such neuronal electrical signals;
trasmettere tali pacchetti di dati contenenti la transmit such data packets containing the
rappresentazione digitale di tali segnali elettrici neuronali digital representation of these neuronal electrical signals
via radio ad una stazione di ricezione mediante un via radio to a receiving station using a
trasmettitore radio integrato; integrated radio transmitter;
ricevere tali pacchetti di dati contenenti la rappresentazione receive such data packets containing the representation
digitale dei segnali elettrici neuronali in una stazione di digital neuronal electrical signals in a station
ricezione e verificarne l'integrità' del contenuto informativo, receiving and verifying the integrity of the information content,
generando eventuali segnali di errore per la gestione del generating any error signals for the management of the
protocollo di comunicazione tra trasmettitore e ricevitore; communication protocol between transmitter and receiver;
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interfacciare la stazione di ricezione con un computer in interface the receiving station with a computer in
grado di leggere i dati neuronali digitali ricevuti dalla able to read the digital neuronal data received from the
stazione e di comunicare con essa dati telemetrici di station and to communicate telemetry data with it
servizio, quali l'impostazione di parametri per i filtri service, such as setting parameters for filters
neH'unita' remota di trasmissione e flag di sistema; in the remote transmission unit and system flag;
visualizzare in tempo reale i dati neuronali ricevuti view the neuronal data received in real time
sottoforma di traccia di oscilloscopio in una finestra as an oscilloscope trace in a window
software visibile dall'utente; user-visible software;
controllare le modalità operative del trasmettitore remoto check the operating modes of the remote transmitter
agendo dal computer connesso alla stazione di base working from the computer connected to the base station
sfruttando la bidirezionalità della connessione wireless tra taking advantage of the bidirectionality of the wireless connection between
trasmettitore remoto e stazione ricevente; remote transmitter and receiving station;
archiviare in formato digitale i dati ricevuti dalla stazione store in digital format the data received from the station
ricevente nel computer ad essa connesso; receiver in the computer connected to it;
gestire le operazioni di controllo del trasmettitore remoto, manage remote transmitter control operations,
monitorare la visualizzazione e salvare i dati da esso monitor the view and save data from it
ricevuti agendo attraverso l'ambiente software Matlab ("The received by acting through the Matlab software environment ("The
MathWorks, Ine., http://www.mathworks.com"): MathWorks, Ine., Http://www.mathworks.com "):
Un tipico esperimento per l’acquisizione, l'amplificazione, il A typical experiment for acquisition, amplification, the
condizionamento analogico, la conversione A/D, la trasmissione wireless analog conditioning, A / D conversion, wireless transmission
digitale, la registrazione digitale e la visualizzazione in tempo reale di digital, digital recording and real-time viewing of
segnali elettrici neuronali eseguito secondo il metodo qui sopra riportato neuronal electrical signals performed according to the above method
e con il sistema integrato dell’invenzione è di seguito descritto. and with the integrated system of the invention is described below.
31 31
<■>È 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A. <■> IS 7462PTIT Notarbartolo & Gervasi S.p.A.
Il seguente protocollo per la registrazione di potenziali d'azione neuronali è in accordo con gli standard istituzionali ed internazionali NIH per il trattamento e l'utilizzo di animali a scopo di ricerca scientifica. The following protocol for recording neuronal action potentials is in accordance with NIH institutional and international standards for the treatment and use of animals for scientific research purposes.
Questo protocollo e' compatibile con le procedure per la registrazione di segnali neuronali che utilizzano apparecchiature già esistenti sul mercato, rendendo possibile una eventuale comparazione dei risultati. This protocol is compatible with the procedures for recording neuronal signals that use equipment already existing on the market, making it possible to compare the results.
Esempio di neuro-telemetria Neuro-telemetry example
Soggeto Subject
• ratto Wistar maschio adulto, peso 250-300g. • adult male Wistar rat, weight 250-300g.
Materiali Materials
• anestetico: uretano, dose 1.5g/kg [peso uretano/peso soggetto], concentrazione 30% [peso uretano/peso H2O]. • anesthetic: urethane, dose 1.5g / kg [urethane weight / subject weight], concentration 30% [urethane weight / H2O weight].
• elettrodi: singoli in tungsteno (Frederick Haer & Co., 9 Main • electrodes: single tungsten (Frederick Haer & Co., 9 Main
St., Bowdoinham, ME 04008 USA), impedenza = 1.0 - 1.2 Megaohm St., Bowdoinham, ME 04008 USA), impedance = 1.0 - 1.2 Megaohm
• bastoncino di legno con estremità cotonata • wooden stick with cotton end
Strumentazione Instrumentation
• tavola con supporti stereotassici • table with stereotaxic supports
• piastra riscaldante termostatata • thermostated heating plate
Preparazione del soggeto Preparation of the subject
Il soggetto viene anestetizzato con iniezione intraperitoneale di uretano, dose 1.5g/kg [peso uretano/peso soggetto], concentrazione 30% [peso The subject is anesthetized with intraperitoneal injection of urethane, dose 1.5g / kg [urethane weight / subject weight], concentration 30% [weight
uretano/peso H2O]. Dopo l’induzione dell'anestesia il soggetto viene posto sulla piastra riscaldata termostatata alla temperatura di 37.5°C. urethane / weight H2O]. After the induction of anesthesia, the subject is placed on the heated plate thermostated at a temperature of 37.5 ° C.
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Il soggetto viene mantenuto stazionario per tutta la durata The subject is kept stationary for the entire duration
dell'esperimento monitorando la retrazione delle zampe posteriori ad una of the experiment by monitoring the retraction of the hind legs to one
leggera compressione tramite una pinzetta, i riflessi corneali ed il ritmo light compression with tweezers, corneal reflexes and rhythm
respiratorio come indici dello stato di anestesia. In caso di necessità respiratory as indices of the state of anesthesia. In case of necessity
viene somministrata una dose extra di anestetico pari al 10% della dose An extra dose of anesthetic equal to 10% of the dose is given
iniziale. initial.
Dopo aver fissato la testa del soggetto al supporto stereotassico, la After fixing the subject's head to the stereotaxic support, the
corteccia cerebrale somato-sensoriale sinistra viene esposta mediante left somato-sensory cerebral cortex is exposed by
una craniotomia di apertura 3x3mm, centrata nel punto di coordinate a 3x3mm opening craniotomy, centered at the coordinate point
2mm posteriore e 6mm laterale rispetto a bregma (punto di riferimento 2mm rear and 6mm lateral to bregma (reference point
craniometrico, intersezione frontale delle suture craniche). craniometric, frontal intersection of the cranial sutures).
La regione corrispondente alla rappresentazione neuronaie delle vibrisse The region corresponding to the neuronal representation of the vibrissae
("barrei cortex") viene identificata in accordo alla configurazione ("barrei cortex") is identified according to the configuration
vascolare cerebrale ed alle coordinate stereotassiche. cerebral vascular and stereotaxic coordinates.
Registrazione neuronaie Neuronaie registration
Un singolo elettrodo collegato viene montato sull'unità remota (1) e A single connected electrode is mounted on the remote unit (1) e
condotto nella regione interessata (barrei cortex) penetrando il tessuto conducted in the affected region (barrei cortex) by penetrating the tissue
cerebrale fino ad una profondità di 700-1000 micron. cerebral to a depth of 700-1000 microns.
Il guadagno dell'amplificatore viene impostato al valore di 5000 ed il filtro The gain of the amplifier is set to the value of 5000 and the filter
viene impostato come passa-banda Butterworth del 4<Λ>ordine con is set as a Butterworth band pass of the 4th <Λ> order with
frequenza di taglio inferiore di 250Hz e superiore di 7500Hz. La lower cut-off frequency of 250Hz and higher than 7500Hz. There
digitalizzazione del segnale viene impostata con frequenza di signal digitization is set with a frequency of
campionamento di 20kHz e risoluzione di 8bit. 20kHz sampling and 8bit resolution.
L'unita' ricevente (2) viene posta distante dall'unità remota (1) entro un The receiving unit (2) is placed away from the remote unit (1) within a
raggio che può variare arbitrariamente fino a 5 metri in un ambiente in radius that can arbitrarily vary up to 5 meters in an environment in
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presenza di anche altre apparecchiature elettroniche (ad esempio un presence of other electronic equipment (for example a
laboratorio per registrazioni elettrofisiologiche) e viene collegata ad un laboratory for electrophysiological recordings) and is connected to a
computer portatile attraverso una porta USB (Universal Serial Bus). In laptop through a Universal Serial Bus (USB) port. In
queste condizioni l'indice di integrità del collegamento radio wireless, these conditions the integrity index of the wireless radio link,
definito come il rapporto tra pacchetti di dati correttamente trasmessi e defined as the ratio of correctly transmitted data packets e
ricevuti tra unità remota (1) e stazione di base (2) e pacchetti di dati received between remote unit (1) and base station (2) and data packets
ricevuti con flag di segnalazione di interferenza radio, risulta essere del received with radio interference signaling flags, it appears to be del
98.3%. Conseguentemente il protocollo di selezione dei pacchetti 98.3%. Consequently the packet selection protocol
distingue dati neuronali digitali affidabili al 100% identificando i pacchetti distinguishes 100% reliable digital neural data by identifying packets
di dati classificati come "corretti" da quelli "errati" consentendo al of data classified as "correct" from "incorrect" allowing the
software di gestione (3) di visualizzare ed archiviare una traccia continua management software (3) to view and archive a continuous trace
di dati neuronali affidabili e simultaneamente una traccia binaria of reliable neuronal data and simultaneously a binary trace
contenente lo stato del flag di segnalazione di interferenza radio, così da containing the state of the radio interference signaling flag, so on
fornire in tempo reale all'operatore sia una visualizzazione grafica dei provide the operator with both a graphical display of the data in real time
segnali neuronali amplificati, sia un'indicazione visiva del flag di amplified neuronal signals, both a visual indication of the flag of
interferenza radio. La traccia grafica dei pacchetti corretti viene anche radio interference. The graphical trace of the correct packages also comes
convertita in un segnale audio sincronizzato con la stessa: monitorando converted into an audio signal synchronized with the same: by monitoring
la traccia video dei segnali neuronali ed il segnale audio l'operatore può the video trace of the neuronal signals and the audio signal the operator can
agire sul sistema di posizionamento dell'elettrodo utilizzando entrambe le act on the electrode positioning system using both
rappresentazioni dei segnali neuronali come controllo della profondità di representations of neuronal signals as a control of the depth of
penetrazione nel tessuto cerebrale al fine di ottimizzare la qualità del penetration into the brain tissue in order to optimize the quality of the
segnale acquisito. acquired signal.
L'assenza del ground loop tra sistema di amplificazione nell'unità remota The absence of the ground loop between the amplification system in the remote unit
(1) e computer collegato alla stazione di base (2) consente la fattibilità (1) and computer connected to the base station (2) allows feasibility
dell'esperimento anche con il soggetto isolato dal potenziale di ground of the experiment even with the subject isolated from the ground potential
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ed all'esterno di ulteriori sistemi per la schermatura elettromagnetica and outside other systems for electromagnetic shielding
(p.es. gabbie di Faraday). (e.g. Faraday cages).
Stimolazione tattile Tactile stimulation
Uno stimolo tattile, controlaterale (lato opposto) alla craniotomia e A tactile stimulus, contralateral (opposite side) to the craniotomy e
consistente in una vibrazione meccanica, viene applicato alle vibrisse consisting of a mechanical vibration, is applied to the vibrissae
tramite il bastoncino cotonato. using the cotton swab.
Analisi delle misure Measurements analysis
L'attività neuronaie è caratterizzata dalla presenza di potenziali d'azione Neuronal activity is characterized by the presence of action potentials
neuronali. Nelle condizioni sperimentali descritte un sistema di neuronal. Under the experimental conditions described a system of
registrazione neuronaie deve essere in grado di rilevare potenziali neuronal recording must be able to detect potentials
d'azione a fronte di uno stimolo tattile controlaterale alla regione in cui si action in the face of a tactile stimulus contralateral to the region in which it is
trova l'elettrodo (regione della craniotomia). find the electrode (region of the craniotomy).
La condizione di controllo che il segnale registrato sia effettivamente The condition for checking that the recorded signal is actually
correlato allo stimolo tattile è l'assenza di risposta neuronaie quando lo correlated to the tactile stimulus is the absence of neuronal response when it is
stesso stimolo tattile sia ipsilaterale (stesso lato) invece di controlaterale same tactile stimulus is ipsilateral (same side) instead of contralateral
(lato opposto). La presenza di una latenza di 7-10 ms tra l'istante di (opposite side). The presence of a latency of 7-10 ms between the instant of
stimolazione tattile e l’attività neuronaie indica che l’attività risulta come tactile stimulation and neuronal activity indicates that the activity is like
risposta fisiologica allo stimolo. physiological response to the stimulus.
In figura 14 vengono illustrati alcuni tipici segnali registrati nelle Figure 14 illustrates some typical signals recorded in the
condizioni sperimentali sopra descritte. La traccia rappresenta un experimental conditions described above. The trace represents a
campione di 10 secondi di segnale neuronaie registrato dal sistema 10 second sample of neuronal signal recorded by the system
mentre la stimolazione tattile era in corso. while tactile stimulation was in progress.
Si notano tre gruppi di impulsi neuronali (a sinistra) seguiti da altri cinque There are three groups of neuronal impulses (left) followed by five others
gruppi (a destra) in corrispondenza di tre e successivamente cinque groups (right) in correspondence of three and then five
stimolazioni di una vibrissa, il cui percorso neuronaie inizia dalle cellule stimulations of a vibrissa, whose neuronal path starts from the cells
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meccano-recettori attorno al follicolo e lungo il quale l'informazione tattile viaggia fino al corrispondente barrei nella corteccia somatosensoriale dove è stato posto l'elettrodo, tramite il bastoncino cotonato. Negli intervalli di tempo intermedi ai gruppi di impulsi neuronali si nota l’assenza di attività neuronaie anche come un basso livello di fluttuazioni elettriche. mechano-receptors around the follicle and along which tactile information travels to the corresponding barrei in the somatosensory cortex where the electrode has been placed, via the cotton swab. In the intermediate time intervals to the groups of neuronal impulses, the absence of neuronal activity is noted, as well as a low level of electrical fluctuations.
La forma stereotipica del potenziale d'azione è facilmente riconoscibile da una lettura dello stesso segnale visualizzato su una scala temporale più piccola. La traccia in figura 15 e' un ingrandimento del frammento di segnale corrispondente ad un arco di tempo di 20 msec. che comprende il quarto gruppo di impulsi (il primo della seconda serie di cinque gruppi a destra) contenuto nella traccia precedente. The stereotypical form of the action potential is easily recognized by a reading of the same signal displayed on a smaller time scale. The trace in figure 15 is an enlargement of the signal fragment corresponding to a time span of 20 msec. which includes the fourth group of impulses (the first of the second series of five groups on the right) contained in the previous track.
Si individua una sequenza di sette potenziali d'azione neuronali registrati in risposta ad una singola stimolazione tattile. Nella traccia in figura 16 viene invece mostrato un singolo potenziale d'azione. A sequence of seven neuronal action potentials recorded in response to a single tactile stimulation is identified. A single action potential is instead shown in the trace in figure 16.
Il potenziale d'azione appare al centro della figura. Si notino come le piccole fluttuazioni della traccia prima e dopo il potenziale d'azione, corrispondenti alla somma di altri segnali che non sono di interesse per la codifica neuronaie e che possono di conseguenza essere definiti come rumore, rimangano centrate e limitate ad un valore di ampiezza The action potential appears in the center of the figure. Note how the small fluctuations of the trace before and after the action potential, corresponding to the sum of other signals which are not of interest for neuronal coding and which can consequently be defined as noise, remain centered and limited to a value of amplitude
significativamente inferiore al potenziale d'azione, che rimane visibilmente riconoscibile. significantly lower than the action potential, which remains visibly recognizable.
Validazione della misura Validation of the measure
La verifica della forma d'onda del potenziale d'azione, unita alla verifica delle risposte allo stimolo nella condizione sperimentale e nella The verification of the waveform of the action potential, together with the verification of the responses to the stimulus in the experimental condition and in the
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condizione di controllo, costituisce la prova validante del corretto control condition, constitutes the validating proof of the correctness
funzionamento del sistema di registrazione neuronaie della presente functioning of the neuronal recording system of the present
invenzione e secondo quanto illustrato e descritto. invention and according to what is illustrated and described.
Claims (8)
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IT000348A ITPD20060348A1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | MOBILE SYSTEM FOR THE ACQUISITION OF NEURONAL ACTION POTENTIALS AND THEIR REAL-TIME TELEMETRIC TRANSMISSION WITHOUT WIRES. |
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IT000348A ITPD20060348A1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | MOBILE SYSTEM FOR THE ACQUISITION OF NEURONAL ACTION POTENTIALS AND THEIR REAL-TIME TELEMETRIC TRANSMISSION WITHOUT WIRES. |
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